Пристрій для визначення екстремумів сигналу

1 Пристрій для визначення екстремумів сигналу, який містить аналого-цифровий перетворювач, блок порівняння, блок пам'яті, вихідна шина котрого підключена до входів блока порівняння, блок управління, який відрізняється тим, що у пристрій уведено регістр місцезнаходження екстремуму та блок формування номера екстремальної дискрети, за допомогою якого виходи регістра місцезнаходження екстремуму підключені до першої групи виходів пристрою, інформаційні входи цього регістра пов'язані з виходами блока порівняння, а управляючий вхід - з виходом блока управління, вхід пристрою через аналого-цифровий перетворювач пов'язаний із послідовним інформаційним входом блока пам'яті, причому блок управління складається з ЛІЧИЛЬНИКІВ номера дискрети у вибірці й номера вибірки та D-тригера, який за інформаційним входом пов'язаний з виходом перенесення лічильника номера дискрети, а за інформаційним виходом - зі входом дозволу лічильника номера вибірки та управляючим входом блока управління, виходи лічильника номера вибірки утворюють другу групу виходів пристрою 2 Пристрій для визначення екстремумів сигналу, який відрізняється тим, що блок порівняння складається з m секцій, кожна з яких містить к-розрядну схему порівняння двох чисел, входи котрої підключені до виходів блока пам'яті або безпосередньо - у випадку першої секції, або через 2і 1 входові мультиплексори - у випадку І-І секції (і=2, ,т), вихід І-І секції (і=1, ,т) пов'язаний з адресним входом А, мультиплексорів всіх подальших секцій, а також із D-входом і-го тригера регістра місцезнаходження екстремуму Винахід відноситься до обчислювальної та шформаційно-вимірювальної техніки, зокрема, до пристроїв з обробки інформації, які відрізняються сполученням функцій та застосовуються з метою аналізу статистичних даних, й може бути використаний у автоматизованих системах контролю якості продукції та управління технологічними процесами, наприклад, для пошуку дефектів (тріщин) у виробах Відомий пристрій для визначення екстремумів, який містить суматор, схему порівняння, регістр поточного значення функції, регістр екстремального значення функції, комутатор (див А с СРСР №402001, кл G06F15/36, кл G06F1/02, 1971) Недолік цього пристрою полягає у недостатньо високій швидкості пошуку екстремуму й необхідності мати безперервні, всі без виключення, вибірки, а також у обмеженні динамічного діапазону, котрий задається встановленням початкових порогових значень Найбільш близьким до винаходу за технічною сутністю являється пристрій, який містить комутатор, схему порівняння, виходи якої з'єднані ВІДПОВІДНО зі входами регістра екстремумів, вихід якого підключено до першого виходу пристрою, блок формування чисел Фібоначчі, блок пам'яті, блок управління, перетворювач аналог-код, вхід якого з'єднано з першим виходом блока пам'яті, другий вихід блока пам'яті та вихід перетворювача аналог-код за допомогою комутатора поєднані зі входом схеми порівняння, керуючий вихід якої підключено до входу блока управління, перший вихід блока формування чисел Фібоначчі підключено до другого виходу пристрою, а другий вихід поєднано з керуючими входами блока пам'яті й перетворювача аналог-код, вхід блока формування чисел Фібоначчі підключено до пристрою, керуючий вхід регістра екстремумів, перший та другий керуючі входи схеми порівняння, перший та другий керуючі входи блока формування чисел Фібоначчі поєднані з ВІДПОВІДНИМИ виходами блока управління (див А с СРСР № 736111, кл G06F15/34, 1980) Головний недолік цього пристрою - це виключно послідовне прочитування з пам'яті порівнювальних між собою дискретних значень (дискрет) сигналу, причому із переміщенням носія дискрет тільки в одну з двох можливих сторін, що робить принципово неможливою організацію швидкого 00 о со 42308 пошуку, особливо у реальному масштабові часу, з метою задовільнення сучасних вимог до систем контролю якості продукції й управління технологічними процесами на виробництві До того ж, застаріла елементно-конструктивна база дозволяє здійснювати черговий крок пошуку лише протягом декількох тактів, що суттєво обмежує ШВИДКОДІЮ Основа винахода полягає в удосконаленні пристрію для визначення екстремумів сигналу шляхом модіфікацм відомого алгоритму Фібоначчі та реалізації процедури пошуку екстремума протягом лише одного такту, що забезпечує підвищення швидкодії та збільшення коефіцієнта використання залученого обладнання Ця задача досягається завдяки тому, що в пристрій, який містить аналого-цифровий перетворювач, блок порівняння, блок пам'яті, вихідна шина котрого підключена до входів блока порівняння, блок управління, який відрізняється тим, що у пристрій уведено регістр місцезнаходження екстремума та блок формування номера екстремальної дискрети, за допомогою якого виходи регістра місцезнаходження екстремума підключені до першої групи виходів пристрою, інформаційні входи цього регістра пов'язані з виходами блока порівняння, а управляючий вхід - з виходом блока управління, вхід пристрою через аналого-цифровий перетворювач пов'язаний із послідовним інформаційним входом блока пам'яті, причому блок управління складається з ЛІЧИЛЬНИКІВ номера дискрети у виборці й номера вибірки та D-тригера, який за інформаційним входом пов'язаний з виходом перенесення лічильника номера дискрети, а за інформаційним виходом - зі входом дозволу лічильника номера вибірки та управляючим входом блока управління, виходи лічильника номера вибірки утворюють другу групу виходів пристрою Крім того, блок порівняння складається з m секцій, кожна з яких містить k-розрядну схему порівняння двох чисел, входи котрої підключені до виходів блока пам'яті або безпосередньо - у випадку першої секції, або через 2і 1-входові мультиплексори - у випадку І-І секції (і=2, ,т), вихід І-І секції (і=1, ,т) пов'язаний з адресним входом А, мультиплексорів всіх подальших секцій, а також із Dвходом і-го тригера регістра місцезнаходження екстремума На фіг 1 наведена схема пристрою, на фіг 2 всі можливі алгоритмічні реалізації т-крокового пошуку (т=5) у межах 2п-компонентноі вибірки (п=4) Пристрій містить аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 1, блок 2 пам'яті, блок порівняння З, блок управління 4, регістр місцезнаходження екстремума 5 та блок 6 формування номера екстремальної дискрети АЦП 1 являється паралельним за способом побудови та функціонування Блок 2 пам'яті реалізований за допомогою k 2п-розрядних регістрів зсуву з послідовним інформаційним входом та паралельними інформаційними виходами Блок 3 порівняння 2П дискрет поточної вибірки складається з m послідовно поєднаних секцій, кожна з яких призначена для реалізації ВІДПОВІДНОГО кроку пошуку Перша секція складається лише зі схеми 7і порівняння k-розрядних дискрет, інформаційні входи якої поєднані з виходами блока пам'яті 2 Всі ІНШІ І 0=2, ,т) секцій мають у своєму складові k-розрядну схему порівняння 7, та підключені до її інформаційних входів дві групи 8, та 9, по k мультиплексорів у кожній, причому КІЛЬКІСТЬ інформаційних входів мультиплексора складає 2і \ а число його адресних входів дорівнює (і-1) Аі,А2, .А, і Вихід схеми порівняння 7, підключено до ВІДПОВІДНОГО адресного входу А, •] мультиплексорів подальших секцій, а також до D-входа і-го тригера регістра місцезнаходження екстремума Поєднання інформаційних входів мультиплексорів із ВІДПОВІДНИМИ виходами блока пам'яті 2 ілюструється за допомогою табл 1 у випадку 5-кроковоі алгоритмічної реалізації процедури пошуку максимума Блок 4 управління складається з послідовно з'єднаних двійкового лічильника 10 номера дискрети у вибірці обсягом 2П, D-тригера 11 затримки на такт, двійкового лічильника 12 номера вибірки у діапазоні 0-ь2г-1 Регістр 5 місцезнаходження екстремума реалізований на m-розрядному паралельному регістрі, що складається з D-тригерів Блок 6 формування номера екстремальної дискрети реалізується за допомогою постійного запам'ятовуючого пристрію із m адресними входами та п інформаційними виходами, приклад програмування якого наведений у табл 2 для п=4 та т=5, де (І\І)2-двійковий код числа N Запропонований пристрій реалізує модифікацію відомого алгоритму пошуку Фібоначчі, яка принципово відрізняється КІЛЬКІСТЮ дискрет в складі аналізовуваних інтервалів невизначенності місцезнаходження екстремуму на кожному кроці, і передусім, на першому, де досліджується унімодальний сигнал, який зображений не Fk, а 2П своїми дискретами (відліками), причому Fk>2n (n - ціле число, a Fk - k-й член числової ПОСЛІДОВНОСТІ Фібоначчі 1,2,3,5,8,13,21,34, ) Ступінь двійки являє собою типове значення багатьох конструктивних параметрів засобів цифрової обробки сигналів, визначаючи, зокрема, інформаційну МІСТКІСТЬ сегментів, сторінок, блоків та мікросхем пам'яті, а також ширшу штерфейсних шин, КІЛЬКІСТЬ входів у мультиплексорів та виходів у демультиплексорів і т д Зменшення КІЛЬКОСТІ ВІДЛІКІВ у складі аналізовуваної вибірки вимірювального сигналу, призводить до необхідності модифікувати, для кожного із послідовних кроків, КІЛЬКІСТЬ дискрет у складі залишкового інтервалу невизначеності локалізації максимуму унімодального сигналу При цьому число кроків пошуку зберігається, і навіть скорочується на одиницю в декількох випадках У табл 3 запропоновані рекомендовані значення для КІЛЬКОСТІ дискрет у складі інтервалів невизначеності на кожному кроці пошуку у випадку найбільш типових довжин початкової вибірки Для випадку 2П=16 ВІДЛІКІВ у початковій вибірці на фіг 2 подані всі можливі алгоритмічні реалізації процедури пошуку із залученням запропонованої модіфікацм алгоритму Фібоначчі На першому кроці вибірка, що аналізується (з урахуванням ДОВІЛЬНОСТІ її вигляду), зображена номерами ВІДЛІКІВ з 0-го до (2п-1)-й, порівнювальні 42308 між собою ВІДЛІКИ показані жирними вертикальними стрілками Якщо більшим виявляється лівий ВІДЛІК, наприклад, з номером 6 на фіг 2, то вибірка відтинається справа, починаючи з другого із порівнювальних ВІДЛІКІВ, наприклад, із номером 9, як на фіг 2 Якщо більшим є правий ВІДЛІК, наприклад, з номером 9 на фіг 2, то вибірка відтинається зліва, включаючи перший ВІДЛІК, наприклад, з номером 6, як на фіг 2 На другому кроці ця усічена вибірка ВІДЛІКІВ, може аналізуватися на одному з двох, отриманих вказаним вище способом, під інтервал їв, маючи, наприклад, по 9 ВІДЛІКІВ на фіг 2 При цьому порівнюються між собою залучений на попередньому кроці старий ВІДЛІК (вказаний звичайною вертикальною стрілкою) та новий ВІДЛІК (вказаний жирною вертикальною стрілкою), розташований симетрично у межах аналізовуваного підштервалу За результатами порівняння здійснюється відтинання аналізованого підштервалу зліва чи справа, завдяки чому подвоюється число підштервалів для наступного кроку На третьому кроці аналізується один з чотирьох, знов отриманих підштервалів, що містять, наприклад, по 6 ВІДЛІКІВ, ЯК на фіг 2 Для кожного з підштервалів використовується старий ВІДЛІК І симетрично йому обирається новий ВІДЛІК, ПОТІМ ВОНИ порівнюються і, за результатами порівняння, підштервал відтинається зліва чи справа На четвертому кроці може аналізуватися вже один з восьми підштервалів, що мають, наприклад, 3 відліка, як на фіг 2 При відтинанні 1-го та Ill-го підштервалів зліва, а ІІ-го та IV-ro - справа, отримуємо по два однакових підштервали, наприклад, [3,5] та [10,12], як на фіг 2 Тому, незважаючи на подвоєння КІЛЬКОСТІ інтервалів, оригінальних серед них на четвертому кроці буде тільки 6 Якщо позначити номер кроку через і (і=1, ,т), то загальна КІЛЬКІСТЬ отриманих підштервалів на кожному кроці дорівнює 2і 1 З підвищенням номера кроку зростає і КІЛЬКІСТЬ підштервалів, котрі формуються ДВІЧІ ШЛЯХОМ відтину зліва чи справа різних, але частково накладених початкових інтервалів На останьому, m-му кроці (т=5 для випадку початкової вибірки з 24=16 дискрет як на фіг 2) кожний з потенційно можливих підштервалів має лише два відліка, котрі й порівнюються між собою з метою вибора найбільшого Функціонування пристрою на фіг 1 відбувається таким чином Перед початком чергового циклу роботи здійснюється скид у нуль D-тригерів регістра 5, k регістрів зсуву блока пам'яті 2, двійкових ЛІЧИЛЬНИКІВ 10 і 12 та D-тригера 11 блока управління Функціонування пропонованого пристрою полягає утому, що після накопичення чергової вибірки вимірювального сигналу, який містить 2П дискрет, протягом одного такту реалізується процедура пошуку максимума Накопичення чергової вибірки в блоці пам'яті 2 здійснюється так Після надходження синхроімпульсу до АЦП 1 та до блока 2 пам'яті поточне значення вимірювального сигналу записується до (2п-1)-х розрядів усіх k регістрів зсуву, із закінченням наступного синхроімпульсу ця дискрета опи няється на (2п-2)-х виходах, а на (2п-1)-х виходах міститься значення наступного відліку і так далі Таким чином, після надходження 2П синхроімпульсів на 0-х виходах k 2П - розрядних регістрів зсуву міститься значення 0-го відліка, на 1-х виходах - значення 1-го відліка і так далі, на (2п-1)-х виходах - значення останнього (2п-1)-го відліка Разом із цим, вказані 2П синхроімпульсів послідовно надходять до двійкового лічильника 10, після досягнення ним стану (11 1), котрий вказує на останню дискрету у вибірці, на його виході перенесення Р з'являється логічна одиниця, яка надходить на вхід D-тригера 11 Протягом наступного, (2п+1)-го такту ця логічна одиниця присутня на вході дозволу паралельного регістра 5 та лічильника 12, що дозволяє - по закінченню такту - ВІДПОВІДНО - зафіксувати результати обробки, здійснюваної протягом цього такту у блоці порівняння 3, щодо місцезнаходження максимума, - здійснити інкримент номера поточної вибірки та перейти, таким чином, до наступного циклу функціонування Обробка у блоці 3 порівняння призводиться таким чином На першу схему порівняння 7і з блока пам'яті 2 подається значення порівнювальних дискрет D6 та Dg (табл 1) Якщо логічна одиниця формується на виході "" схеми порівняння 7-і, то на першому адресному вході Аі всіх мультиплексорів блока 3 забезпечується логічний нуль з виходу "